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高超音速武器入門(mén) 2.0版

2022-11-18 17:26 作者:冰封之龍  | 我要投稿

最近一段時(shí)間,隨著美國(guó)高超音速武器的試射,高超音速武器的各種論調(diào)再次甚囂塵上。那么,這些形形色色的武器,到底什么才是真的“高超音速武器”?同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)“高超音速”,又會(huì)需要哪些技術(shù)呢?今天,我們就來(lái)淺析一下這些概念,同時(shí)糾正一些常見(jiàn)的謬誤。

本文2.0版訂正于2022年11月18日。

高超音速武器:為刺穿反導(dǎo)攔截網(wǎng)而誕生

“高超音速武器”是21世紀(jì)興起的一種概念。我們知道,在大氣層內(nèi)飛行的物體,在飛躍音障時(shí)會(huì)受到明顯的阻力,尤其是隨著速度提升到音速上下時(shí),會(huì)產(chǎn)生很明顯的激波阻力。因此,能夠跨越音障飛行的武器通常被稱為“超音速武器”,如常見(jiàn)的各類彈道導(dǎo)彈,空對(duì)空導(dǎo)彈,地對(duì)空導(dǎo)彈和反艦導(dǎo)彈等。在跨越音障時(shí),彈體主要需要克服的主要是激波阻力;但隨著彈體速度越來(lái)越快,達(dá)到五倍音速的時(shí)候,此時(shí)彈體除了需要克服阻力外,另外一個(gè)大敵就是表面氣動(dòng)加熱,在運(yùn)載火箭和航天器尤為明顯。因此,我們常見(jiàn)的各類導(dǎo)彈和火箭,往往需要盡可能避免在大氣層內(nèi)進(jìn)行超過(guò)5馬赫的飛行,以降低自身燒蝕程度。所以傳統(tǒng)意義上,彈道導(dǎo)彈都會(huì)盡可能減少自己再入大氣層的時(shí)間,走直線沖向目標(biāo)。

長(zhǎng)征火箭發(fā)射后用盡燃料拋下的火箭殘骸,外表有明顯的氣動(dòng)燒蝕跡象
經(jīng)典的飛毛腿導(dǎo)彈,采用尖頭錐形,這種設(shè)計(jì)能夠有效降低氣動(dòng)發(fā)熱和氣動(dòng)阻力,增加飛行速度

不過(guò),隨著導(dǎo)彈攔截技術(shù)的不斷發(fā)展,走直線突防的思路越來(lái)越不好過(guò)。如今美國(guó),中國(guó),以色列已經(jīng)具備對(duì)大氣層內(nèi)和地球軌道一定范圍內(nèi)的導(dǎo)彈/衛(wèi)星的攔截能力,在2007年,中國(guó)擊落了一枚失效的風(fēng)云系列衛(wèi)星,飛行高度達(dá)到700公里;2020年,美國(guó)和日本發(fā)展了標(biāo)準(zhǔn)3 block IIA系列艦載高空反導(dǎo)導(dǎo)彈,具備攔截1000公里飛行高度的中程和中遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈的能力。同時(shí),在攔截短程導(dǎo)彈方面,無(wú)論是沙特阿拉伯-也門(mén)戰(zhàn)爭(zhēng),亞美尼亞-阿塞拜疆納卡戰(zhàn)爭(zhēng)和烏克蘭戰(zhàn)爭(zhēng)中,各國(guó)服役的戰(zhàn)術(shù)反導(dǎo)攔截彈都有不錯(cuò)的表現(xiàn),基本上在覆蓋區(qū)域內(nèi)都能有效對(duì)老舊彈道導(dǎo)彈進(jìn)行攔截,成功率相比1991年愛(ài)國(guó)者2攔截飛毛腿導(dǎo)彈有著明顯的提高。

標(biāo)準(zhǔn)3發(fā)展歷程
被擊落的圓點(diǎn)U導(dǎo)彈

高超音速武器突防是靠速度嗎?No。

很多人有一個(gè)誤區(qū)就是“飛的越快越難以攔截”。但是實(shí)際上,單純的直線飛行攔截并不難,如速度高達(dá)第一宇宙速度的近地軌道衛(wèi)星,現(xiàn)實(shí)中使用導(dǎo)彈攔截系統(tǒng)攔截并不困難,甚至難度要低于載人飛船快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)(目前中國(guó)交會(huì)對(duì)接是6.5小時(shí),未來(lái)可以進(jìn)一步壓縮到2.5小時(shí)。PS:2022年11月,我國(guó)在天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船首次實(shí)現(xiàn)2.5小時(shí)對(duì)接成功,創(chuàng)下迄今為止空間站和航天器交會(huì)對(duì)接世界紀(jì)錄)。上文中舉例的現(xiàn)實(shí)中被攔截的彈道導(dǎo)彈,主要就是彈道固定,在對(duì)方攔截系統(tǒng)計(jì)算出攔截提前量后,發(fā)射末端可以精確控制的KKV動(dòng)能毀傷器,或者直接近距離引爆破片戰(zhàn)斗部,即可擊毀彈道導(dǎo)彈。

除此之外,老式彈道導(dǎo)彈(如飛毛腿,圓點(diǎn)U等)另一個(gè)容易被攔截的原因在于,它們的戰(zhàn)斗部末端無(wú)法和推進(jìn)器分離,這使得它末端體積較大,容易被攔截器所命中。因此,高超音速武器的核心突防首先在于“彈頭和彈體分離”,降低整體彈頭尺寸,然后進(jìn)行“高速而靈活”的轉(zhuǎn)彎,拉升和水平機(jī)動(dòng)飛行,以求增加敵方測(cè)定導(dǎo)彈飛行提前量的困難,使得對(duì)方難以在前進(jìn)航向上發(fā)射攔截彈將其截獲。這一個(gè)使用方式,可以在朝鮮高超音速導(dǎo)彈發(fā)射的官方報(bào)道可見(jiàn)一斑。

 按照朝鮮相關(guān)報(bào)道介紹,本次試射檢驗(yàn)了多種高超聲速導(dǎo)彈技術(shù),包括高超聲速滑翔飛行戰(zhàn)斗部在多次滑翔跳躍飛行與強(qiáng)橫向機(jī)動(dòng)相結(jié)合的情況下的操縱性與穩(wěn)定性。高超聲速飛行部在導(dǎo)彈發(fā)射后成功分離,戰(zhàn)斗部在飛行區(qū)間內(nèi)從初始發(fā)射方位角向目標(biāo)方位角橫向機(jī)動(dòng)120公里,準(zhǔn)確命中設(shè)定為700公里外的目標(biāo)。

THAAD是美國(guó)廣為使用的高空攔截導(dǎo)彈,如今基本上以每年采購(gòu)3-5套速度采購(gòu)

從朝鮮的新聞可知,朝鮮的高超音速武器具備射程700公里情況下,完成水平機(jī)動(dòng)120公里的能力。而現(xiàn)實(shí)中,美國(guó)愛(ài)國(guó)者3防空導(dǎo)彈對(duì)于彈道導(dǎo)彈目標(biāo)有效攔截半徑僅有20公里,THAAD也只有120公里,在這樣的情況下,一款具備在30000-40000米高空以5馬赫完成120公里機(jī)動(dòng)的導(dǎo)彈,很容易就能繞過(guò)愛(ài)國(guó)者3乃至于薩德導(dǎo)彈的防空半徑,擊中被它保衛(wèi)的區(qū)域。就算是導(dǎo)彈打擊目標(biāo)在攔截導(dǎo)彈的有效范圍內(nèi),也可以通過(guò)進(jìn)行大角度的S型機(jī)動(dòng)和俯仰機(jī)動(dòng),從而加大對(duì)方計(jì)算攔截點(diǎn)的難度,并誘騙對(duì)手提前發(fā)射攔截彈,使得對(duì)方浪費(fèi)更多彈藥。

在這樣情況下,攔截方想要攔截?cái)撤礁叱羲傥淦?,除了暫無(wú)法使用的定向能武器外,就只剩下“以高超音速對(duì)抗高超音速”和加高防空密度的兩個(gè)手段。前者需要將己方高超音速導(dǎo)彈送入和對(duì)方來(lái)襲目標(biāo)同一飛行平面,然后也通過(guò)高超音速控制系統(tǒng)試圖迎頭或側(cè)向攔截對(duì)手,實(shí)現(xiàn)難度極大,而后者需要以防空導(dǎo)彈鋪滿所有的區(qū)域,那么顯然成本要巨額提高,任何國(guó)家都難以負(fù)擔(dān)高超音速武器的攔截導(dǎo)彈數(shù)量的沉重經(jīng)濟(jì)壓力。這就是當(dāng)代高超音速武器真正的威懾力。

并非所有的超越五馬赫飛行的武器都是高超音速武器


前文已經(jīng)提到,高超音速武器是指不僅能夠以5馬赫速度或者更高速度飛行,而且還可以在空中做出規(guī)避攔截的機(jī)動(dòng)動(dòng)作的導(dǎo)彈,那么這就意味著,在此之前誕生的彈道導(dǎo)彈都不是高超音速武器——盡管相當(dāng)一部分再入速度相當(dāng)快,如洲際導(dǎo)彈,末端速度會(huì)輕松突破25馬赫,但是它在彈頭分離后,只能沿著固定彈道飛向固定的對(duì)手,不能如圖如今的高超音速武器做出復(fù)雜的高空平飛,大角度水平機(jī)動(dòng)等規(guī)避動(dòng)作,所以它不是高超音速武器。。

那么,高超音速武器是如何超越了彈道導(dǎo)彈,實(shí)現(xiàn)在大氣層的平飛呢?答案是利用彈體再入時(shí)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力升力效應(yīng)。

教科書(shū)中產(chǎn)生激波的流動(dòng)插圖,高超音速武器就是第四種情況:超音速氣流繞鈍頭物體流動(dòng)

我們知道,任何在流體中行駛的物體,流體通過(guò)物體表面時(shí),都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生力的效應(yīng),研究這種效應(yīng)的科學(xué)就是流體力學(xué)。高超音速武器,顧名思義是在空氣中做高超音速飛行的武器,其和氣流產(chǎn)生的效應(yīng)主要以激波效應(yīng)為主。在忽略重力情況下,一個(gè)鈍頭物體若在大氣中超音速平飛,那么它產(chǎn)生的激波是上下對(duì)稱的,力量相互抵消;但在通過(guò)控制系統(tǒng),讓這個(gè)物體以一定氣動(dòng)攻角(攻角為氣流和行動(dòng)方向的夾角,也叫迎角)在大氣層中飛行,那么上下表面的激波就不會(huì)對(duì)稱,在良好的計(jì)算下,就可使得下表面的激波對(duì)彈體的升力大于上表面激波對(duì)于彈體的壓力,從而對(duì)彈體產(chǎn)生整體向上的升力效應(yīng),這樣彈體就可以在空中“飄行”。當(dāng)這個(gè)升力效果越明顯(體現(xiàn)為更大的升力系數(shù))時(shí),整個(gè)彈體能夠“飄”的距離也就更遠(yuǎn),能夠做機(jī)動(dòng)的空間也就更大,突防性能也就越好,而如果升力大于了彈體的重力,這種飛行體甚至可以在空中如同正常的巡航導(dǎo)彈一樣穩(wěn)定平飛,飛行距離會(huì)進(jìn)一步延長(zhǎng)。而我們常說(shuō)的“雙錐體”“乘波體”等彈頭設(shè)計(jì),都是以提升它整體的升力系數(shù)為出發(fā)點(diǎn)的。

高超音速武器的隔熱和控制手段

通常來(lái)說(shuō),導(dǎo)彈再入的速度與其最大飛行高度密切相關(guān),根據(jù)能量守恒定律,當(dāng)導(dǎo)彈飛得越高時(shí),在從數(shù)百乃至數(shù)千公里的高度再入大氣層,儲(chǔ)存的重力勢(shì)能就會(huì)還原為巨大的動(dòng)能賦予彈頭。所以一般的洲際導(dǎo)彈彈頭都非常尖銳——為了降低再入阻力和降低表面溫度。

LGM-118和平衛(wèi)士彈頭再入的延時(shí)攝影
和平衛(wèi)士導(dǎo)彈的分導(dǎo)彈頭再入飛行器(MIRV)和上面尖銳彈頭的W87核戰(zhàn)斗部

不過(guò),導(dǎo)彈再入速度過(guò)快,雖然有利于降低敵方的預(yù)警時(shí)間,但是也導(dǎo)致過(guò)快的導(dǎo)彈下落途中難以改變自己的飛行軌道。尤其是對(duì)于需要精準(zhǔn)打擊敵方的點(diǎn)目標(biāo)(如發(fā)射井)和機(jī)動(dòng)目標(biāo)(航母)的導(dǎo)彈,末端需要開(kāi)啟合成孔徑雷達(dá)或者使用數(shù)據(jù)鏈接收衛(wèi)星傳輸?shù)男盘?hào),并使用彈載控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軌跡調(diào)整,這就要求導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)能夠在高速氣流沖刷下調(diào)整姿態(tài)。一般來(lái)說(shuō),導(dǎo)彈再入通常使用質(zhì)心偏移調(diào)整配合氣動(dòng)升力控制、RCS噴氣推力和最傳統(tǒng)的氣動(dòng)舵面實(shí)施導(dǎo)彈控制,前兩者適合于再入速度高達(dá)20馬赫以上的洲際導(dǎo)彈和飛船返回艙,而后者則適合低于20馬赫的彈道導(dǎo)彈。

質(zhì)心機(jī)構(gòu)原理如下:導(dǎo)彈自身質(zhì)心和飛行矢量中心線并不始終保持相同,當(dāng)飛行時(shí)需要調(diào)整導(dǎo)彈姿態(tài)時(shí),則通過(guò)較重的質(zhì)量滑塊的位移調(diào)整導(dǎo)彈質(zhì)心位置,使得飛行阻力力矩相對(duì)質(zhì)心產(chǎn)生杠桿效應(yīng),讓彈體在空氣阻力作用下完成偏航控制,同時(shí)借助彈體變更飛行角度后,與空氣接觸產(chǎn)生的激波形狀發(fā)生改變,從而實(shí)現(xiàn)彈體更大角度的角度調(diào)整,速度越快,空氣密度越大,調(diào)整越明顯,但不適合速度不夠快的導(dǎo)彈。
載人飛船再入時(shí)和洲際導(dǎo)彈再入速度相仿,此時(shí)通常使用質(zhì)心調(diào)整來(lái)微調(diào)自身落點(diǎn),讓最終濺落區(qū)控制在較小的范圍,這種通過(guò)質(zhì)心和氣動(dòng)升力的手段也叫作升力式再入,相對(duì)的俯沖角更大的被稱為彈道式再入,后者速度更快,但精度較低,僅適合于緊急返回地球。
在確認(rèn)落區(qū)后,神舟返回艙會(huì)拋棄剩余的RCS姿態(tài)控制器的燃料避免毒害地面

為了降低阻力和降低表面發(fā)熱,很長(zhǎng)一段時(shí)間,彈道導(dǎo)彈都是采用尖錐型彈頭,這種彈頭產(chǎn)生的激波阻力很小,而且可以只在尖頭承受較高的氣動(dòng)加熱,但在高超音速升力體的理論逐步完善后,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),在彈體升力系數(shù)提高的情況下,氣動(dòng)舵面能夠更好的控制導(dǎo)彈的末端精度。所以,1980年代后,隨著末端精確打擊概念的普及,設(shè)計(jì)師為了有效使用彈翼控制高速再入的彈頭,發(fā)明了一種全新的彈頭構(gòu)型替換掉了傳統(tǒng)的尖錐型彈頭,這就是大名鼎鼎的“雙錐體彈頭”。

雙錐體彈頭的優(yōu)勢(shì)

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雙錐體彈頭發(fā)展史
潘興2導(dǎo)彈是世界上最早利用雙錐體和升力體的導(dǎo)彈,并采用彈翼控制和RCS控制的組合,發(fā)射再入速度在12馬赫左右,此時(shí)用RCS完成姿態(tài)調(diào)整,彈頭對(duì)準(zhǔn)地面形成一定攻角,產(chǎn)生升力效應(yīng),在減速到5馬赫同時(shí)賦予彈體更好的末端控制效果。在接近目標(biāo)上空時(shí),彈體轉(zhuǎn)為垂直俯沖,此時(shí)啟動(dòng)導(dǎo)引頭對(duì)地面進(jìn)行合成孔徑成像并對(duì)比預(yù)存數(shù)據(jù),操控彈翼,完成末端目標(biāo)搜索和最后的軌跡修正。
東風(fēng)15B整體構(gòu)型接近潘興2,但射程近得多,速度也慢得多,所以末端無(wú)需減速動(dòng)作就可以使用氣動(dòng)舵面調(diào)整末端軌跡
得益于更好的設(shè)計(jì),DF-26再入速度可以達(dá)到18馬赫,而且無(wú)需進(jìn)一步減速即可使用彈頭的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)末端軌跡調(diào)整和打擊

雙錐體彈頭有很多好處。

第一,相比單椎體來(lái)說(shuō),它的整體氣動(dòng)性能更為優(yōu)良。單錐體飛行器飛行時(shí),壓心不斷后移,使得“飛行穩(wěn)定性”增強(qiáng),這使得它有利于對(duì)抗偏航,但不利于機(jī)動(dòng);而雙錐體高速時(shí)壓心向前移動(dòng),屬于靜不穩(wěn)定,有利于氣動(dòng)舵面進(jìn)行控制(這點(diǎn)同樣在第三代,第四代戰(zhàn)斗機(jī)拋棄靜穩(wěn)定設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為靜不穩(wěn)定設(shè)計(jì)得以體現(xiàn)),而且雙錐體的配平攻角大,有利于最大升力系數(shù)提升,對(duì)于雙錐體的機(jī)動(dòng)性來(lái)說(shuō)更有利。

第二,它改變了彈頭的流場(chǎng),前錐較為粗鈍,氣流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生膨脹效應(yīng),產(chǎn)生的超音速激波角度擴(kuò)大,有效避免激波破壞后部的氣動(dòng)翼面,同時(shí)有效降低整體阻力,提高了升阻比,使得彈體減速更慢,飛行距離得以延長(zhǎng),控制性能也得到改善;

雙錐體可以有效地把激波角度拉大并遠(yuǎn)離彈頭

第三,由于前部頭錐較鈍,產(chǎn)生的發(fā)熱也明顯較高,使得發(fā)熱量主要集中在彈體前部尖端,比較好節(jié)約隔熱層重量和覆蓋面積;

雙錐體彈頭可以有效把高溫區(qū)域約束在尖端

所以,雙錐體彈頭對(duì)于傳統(tǒng)單錐體彈頭,具有本質(zhì)上的性能提高,1990年代后設(shè)計(jì)的各國(guó)主要導(dǎo)彈都采用了雙錐體設(shè)計(jì)。不過(guò),雖然世界上有如此多的雙錐體彈頭,但其中絕大部分(如東風(fēng)15,潘興2等)只是利用雙錐體換來(lái)更好的末端控制效果,而非利用它的升力效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高超音速武器所獨(dú)有的“可高空水平平飛”“復(fù)雜性規(guī)避機(jī)動(dòng)”,因此雙錐體并非是“高超音速武器”的必備特征,只是目前常用的設(shè)計(jì)構(gòu)型。

真正想要使用雙錐體外形實(shí)現(xiàn)高超音速武器,不僅要在彈頭設(shè)計(jì)方面更加精確的計(jì)算流場(chǎng)和激波特性,還要配合更加完善的制導(dǎo)系統(tǒng),這一點(diǎn)如同碩士和博士畢業(yè)論文的難度差距。

雙錐體和乘波體——兩種有效的高超音速武器外形設(shè)計(jì)

朝鮮火星8高超音速武器采用了雙錐體彈頭
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東風(fēng)-17采用乘波體設(shè)計(jì)
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AGM-183的乘波體可分離彈頭

根據(jù)歷史發(fā)展規(guī)律,彈道導(dǎo)彈首先是從遠(yuǎn)距離面殺傷核彈頭投射器(1950-1980攜帶核彈頭的遠(yuǎn)程導(dǎo)彈)發(fā)展為高精度打擊固定目標(biāo)的機(jī)動(dòng)彈頭投射器(1980-2010),再到利用彈頭升力體效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高超音速機(jī)動(dòng),有效規(guī)避攔截導(dǎo)彈。因此,由于歷史的發(fā)展慣性和較多的理論積累,在雙錐體機(jī)動(dòng)彈頭基礎(chǔ)上改良高超音速?gòu)楊^,就成了一種很有效率的發(fā)展方向,如今很多高超音速?gòu)楊^都是這樣發(fā)展而來(lái)的。不過(guò),雙錐體畢竟外形過(guò)于簡(jiǎn)單,升力系數(shù)較低,因此如今高超音速武器的領(lǐng)跑者開(kāi)始轉(zhuǎn)向更有價(jià)值的乘波體技術(shù)。

乘波體也是一種很早被提出的設(shè)計(jì)。早在上世紀(jì)60年代,美國(guó)設(shè)計(jì)三馬赫飛行器的時(shí)候,就意識(shí)到高速飛行器本身的激波就是有效的升力來(lái)源,此時(shí)若能夠有效使用激波升力,就可以縮小機(jī)身的正面投影,從而改善飛機(jī)氣動(dòng)阻力等一系列問(wèn)題,所以XB-70飛機(jī)采用了末端可以向下折疊的機(jī)翼設(shè)計(jì),以充分利用三馬赫下強(qiáng)有力的激波升力,這被認(rèn)為是載人飛機(jī)上首次運(yùn)用乘波體相關(guān)概念的嘗試。到21世紀(jì)后,隨著對(duì)高超音速飛行器的需求增多,乘波體再次被大家廣為研究。

XB-70的向下翻轉(zhuǎn)機(jī)翼
不同速度下乘波體設(shè)計(jì)草圖
乘波體飛行器(搭配超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī))的設(shè)計(jì)

相比于改進(jìn)型雙錐體彈頭,乘波體看起來(lái)更像是一架“紙飛機(jī)”,它復(fù)雜的表面增加了空氣的浸潤(rùn)面積,也有效改變了激波的產(chǎn)生點(diǎn)和產(chǎn)生方向,這樣的表面設(shè)計(jì)比起簡(jiǎn)單的雙錐體,更適合在高超音速下維持較高的升力系數(shù),同時(shí)在彈頭進(jìn)行復(fù)雜機(jī)動(dòng)時(shí),更不容易產(chǎn)生氣動(dòng)分離(即類似于飛機(jī)的失速效應(yīng)),從而能讓飛行器以更好的可控姿態(tài)滑翔更遠(yuǎn)距離,做出更為復(fù)雜的動(dòng)作,因此目前先進(jìn)的高超音速武器都向著乘波體發(fā)展。不過(guò),乘波體也有代價(jià):由于它外形比較復(fù)雜,彈頭內(nèi)有效空間比起雙錐體大幅縮小,在相同的彈體尺寸限制下,乘波體彈頭更大更重,有效載荷更少,殺傷力也會(huì)下降很多;而且由于氣動(dòng)加熱面積大,整體成本顯著高于雙錐體彈頭。

高超音速的動(dòng)力選擇

高超音速飛行器需要很高的推力才能達(dá)到5馬赫或更高的初速度,并維持一段時(shí)間。所以,所有的高超音速飛行器都少不了強(qiáng)大的助推火箭。一般來(lái)說(shuō),上文列舉的高超音速武器其實(shí)都是“滑翔戰(zhàn)斗部”,它們無(wú)一例外都是由火箭加速到指定速度和高度釋放,然后憑借雙錐體或乘波體氣動(dòng)布局,在控制系統(tǒng)下保持飛翔。而除此之外,能夠在5馬赫以上速度工作的發(fā)動(dòng)機(jī)顯然會(huì)進(jìn)一步延長(zhǎng)射程,這也是如今高超音速武器真正的發(fā)展方向。

能夠保證在五馬赫以上飛行的發(fā)動(dòng)機(jī)有很多,如最早的自帶氧化劑的火箭引擎,也有如今熱門(mén)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)等等。但迄今為止,唯一在公開(kāi)試飛中維持了二百秒級(jí)運(yùn)轉(zhuǎn)的只有美國(guó)X-51A飛行器的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

X-51A是唯一目前已知完成了長(zhǎng)距離公開(kāi)試飛的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)飛行器
超燃柴油機(jī)基本結(jié)構(gòu):發(fā)動(dòng)機(jī)外形(通常和飛行器一同設(shè)計(jì))產(chǎn)生的斜激波大多被隔離在進(jìn)氣道之外,然后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體在特殊設(shè)計(jì)的內(nèi)表面多次反射激波形成有效壓縮,在燃燒室內(nèi)達(dá)到工作溫度并點(diǎn)燃燃料維持飛行。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)任何運(yùn)轉(zhuǎn)部件。

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)本身也可以看做一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的飛行器,它和乘波體一樣靠著激波運(yùn)轉(zhuǎn),只不過(guò)它將激波之間的反射壓縮作為自己燃燒室工作壓力的來(lái)源,取代了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)結(jié)構(gòu),使得它無(wú)需任何的旋轉(zhuǎn)部件就可順利工作。不過(guò),由于激波工作難以穩(wěn)定,加上高超音速氣流來(lái)流急劇減速產(chǎn)生的高溫高壓特性(根據(jù)理想氣體方程式,在氣體壓縮時(shí)產(chǎn)生內(nèi)能),對(duì)于材料的要求極端苛刻,而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜,燃燒也難以穩(wěn)定,這就是迄今未能產(chǎn)生真正采用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)戰(zhàn)導(dǎo)彈的核心原因。

6-8馬赫下燃燒室溫度可達(dá)2700-3100K
在飛行速度達(dá)到12馬赫時(shí),超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)僅自身氣動(dòng)壓縮就可達(dá)到5000K的溫度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)代最耐熱的材料容忍上限

另外一種有效的手段就是直接使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

無(wú)偵8無(wú)人機(jī)采用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

中國(guó)在2019年展出了世界首款高超音速無(wú)人偵察機(jī)——無(wú)偵8,并在珠海航展以實(shí)物在地面向公眾展出,它也是距1970年代美國(guó)D-21無(wú)人機(jī)后,再一次出現(xiàn)在世界舞臺(tái)上的超越3馬赫的高空高速無(wú)人偵察機(jī),不同在于,無(wú)偵8采用了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī),并且配備了起落架,這使得它回避了高難度的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)路線,并且可以飛行的速度進(jìn)一步提升,在使用完畢后,還可以利用起落架返回機(jī)場(chǎng)降落,完成可重復(fù)使用。

高超音速武器的末制導(dǎo)難點(diǎn)——黑障區(qū)和表面發(fā)熱

高超音速武器往往會(huì)受到類似“黑障區(qū)”的困擾

高超音速武器作為能夠以五馬赫甚至更高速度飛行的武器,它也會(huì)面臨飛船返回艙一樣從太空返回時(shí)與稠密大氣層摩擦產(chǎn)生的“黑障區(qū)”問(wèn)題。在摩擦和激波阻力產(chǎn)生高溫之下,彈體表面會(huì)形成濃厚的等離子體鞘,由于等離子體是優(yōu)良的導(dǎo)體,會(huì)屏蔽內(nèi)外的無(wú)線電通訊,在這個(gè)階段,彈體內(nèi)的信號(hào)是無(wú)法直接從彈體發(fā)射到地面上的。同時(shí),由于高溫沖擊,表面溫度會(huì)非常高,使得紅外傳感器也會(huì)被自身的熱信號(hào)覆蓋,無(wú)法有效探測(cè)地面。因此,很長(zhǎng)一段時(shí)間,高超音速武器通常只能利用自身的慣性制導(dǎo)和位于太空的衛(wèi)星制導(dǎo)(因?yàn)閺楏w等離子鞘只在彈頭,尾部是通訊暢通的),這也是1980年潘興2導(dǎo)彈要減速到5馬赫以內(nèi),才能使用合成孔徑雷達(dá)的關(guān)鍵原因。

高超音速武器光學(xué)制導(dǎo)系統(tǒng)外形很可能和YJ-21E前端光學(xué)窗口類似

不過(guò),得益于超級(jí)計(jì)算機(jī)仿真和高超音速風(fēng)洞的協(xié)助,我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)團(tuán)隊(duì),于近年研究出了高超音速武器光學(xué)制導(dǎo)系統(tǒng)。它的原理是利用氣膜冷卻法,在精確測(cè)量高超音速武器尖錐流場(chǎng)和溫度分布的前提下,在尖錐位置預(yù)留多個(gè)冷氣噴射口,在導(dǎo)彈末端進(jìn)入光學(xué)制導(dǎo)有效范圍后,啟動(dòng)液氮噴氣系統(tǒng),對(duì)光學(xué)窗口進(jìn)行氣膜冷卻,再啟動(dòng)光學(xué)紅外成像系統(tǒng),這樣就可以避免高超音速武器不再在末端成為“盲人”,而能夠有效的飛向移動(dòng)中的目標(biāo),這一點(diǎn)在高超音速武器打擊行駛中目標(biāo)時(shí)格外重要。

高超音速武器不會(huì)替代傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈

最后一個(gè)問(wèn)題,就是“在未來(lái)高超音速武器普及下,現(xiàn)在流行的傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈會(huì)不會(huì)失去市場(chǎng)”。這顯然是否定的。

在高強(qiáng)度戰(zhàn)爭(zhēng)情況下,低成本的遠(yuǎn)程制導(dǎo)火箭彈和傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈仍然是主力產(chǎn)品

我們知道,大規(guī)模戰(zhàn)爭(zhēng)下,不僅考驗(yàn)一個(gè)國(guó)家武器的先進(jìn)程度,更考驗(yàn)一個(gè)國(guó)家戰(zhàn)時(shí)的武器生產(chǎn)速度。高超音速武器就像高精度狙擊槍發(fā)射的高性能狙擊子彈,能夠遠(yuǎn)距離打中車輛觀察窗,地堡瞭望口這樣的小目標(biāo),將敵方VIP人物遠(yuǎn)距離擊斃,但是其高昂的價(jià)格,較長(zhǎng)的生產(chǎn)時(shí)間,都不利于它形成普通子彈那樣的持續(xù)性壓制火力。而遠(yuǎn)程火箭彈,制導(dǎo)炸彈,短程巡航導(dǎo)彈,短程彈道導(dǎo)彈以其低廉的價(jià)格,較低的生產(chǎn)要求,可以保證戰(zhàn)時(shí)三位數(shù)乃至四位數(shù)的生產(chǎn)速度,能夠有效的在實(shí)戰(zhàn)中滿足對(duì)于大部分?jǐn)撤娇v深目標(biāo)的打擊壓制,將寶貴的高超音速武器節(jié)約出來(lái)專門(mén)打擊敵方導(dǎo)彈攔截系統(tǒng)和指揮機(jī)構(gòu)等核心設(shè)施。

結(jié)語(yǔ) 高超音速武器是“改變游戲規(guī)則”的強(qiáng)大戰(zhàn)力

經(jīng)過(guò)上面的論述,我們會(huì)發(fā)現(xiàn),高超音速武器是結(jié)合了當(dāng)前氣動(dòng)理論,制導(dǎo)系統(tǒng),材料科技的尖端技術(shù)產(chǎn)生的換代性武器。相比傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈,它的突防能力更強(qiáng),末端機(jī)動(dòng)性更好,更有利于對(duì)敵方擁有較高反導(dǎo)能力保護(hù)的機(jī)動(dòng)目標(biāo)展開(kāi)“斬首行動(dòng)“。在高超音速武器服役后,傳統(tǒng)的反導(dǎo)理論也將面臨大敵,需要投入更高成本才能有效對(duì)抗高超音速武器。因此,高超音速武器武器無(wú)論在戰(zhàn)術(shù)打擊層面,還是在戰(zhàn)略破除反導(dǎo)系統(tǒng)圍困方面,都有著不可替代的價(jià)值,需要我們高度重視發(fā)展。

高超音速武器入門(mén) 2.0版的評(píng)論 (共 條)

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